Kleine Werkstoffkunde für Zahnärzte – Teil 4

Zahnfarbene Werkstoffe im Vergleich

Zum Abschluss unserer Reihe „Kleine Werkstoffkunde für Zahnärzte“ werden die Eigenschaften der Werkstoffgruppen Polymere, dentale Glaskeramiken und Zirkonoxide in einem zusammenfassenden Beitrag einander gegenübergestellt und deren Vor- und Nachteile für die einzelnen Indikationen dargelegt.

Glaskeramik, Zirkonoxid und Komposit für die CAD/CAM-Anwendung Martin Rosentritt

Moderne zahnfarbene Werkstoffe gliedern sich in die drei Hauptgruppen:

  • Polymere
  • dentale Glaskeramiken
  • Zirkonoxide

Zwischen den Werkstoffgruppen, aber auch innerhalb einer Materialgruppe bieten die Materialien dem Praktiker ein breites Indikationsspektrum. Die Auswahl für die jeweilige Anwendung ist dabei hauptsächlich von den mechanischen (Festigkeit, Härte, E-Modul) und den optischen (Ästhetik, Transluzenz, Reflektion, Glanz, Farbe, Opazität) Eigenschaften abhängig. Zusätzlich spielen für den Zahnarzt klinische Aspekte wie Präparationsoptionen (mit den damit verbundenen Wandstärken), Befestigung (Oberflächenaktivierung, Konditionierung, Art des Befestigungsmaterials) und Möglichkeiten zur Reparatur der Restauration eine bedeutende Rolle. Ein wichtiges Kriterium ist auch die Art der Fertigung, ob also konventionelle Verfahren (Gießen, Pressen) oder CAD/CAM-gestützte Methoden (Fräsen, Schleifen, 3-D-Druck) mit den jeweiligen Vor- und Nachteilen oder auch in Kombination (zum Beispiel Intraoral-Scan und Laborfertigung) zum Einsatz kommen können.

Mechanische Eigenschaften 

Eine der zentralen mechanischen Eigenschaften ist die Festigkeit, die am einfachsten mittels Biegeversuch bestimmt werden kann (Achtung beim Vergleich: 3- und 4-Punkt-Biegeversuch ergeben unterschiedliche Resultate!). Die Biegefestigkeit ist die Spannung, die bei Belastung durch ein Biegemoment auftritt und zum Bruch oder zur plastischen Verformung führt. Die Biegefestigkeit (3-Punkt-Biegung, Abbildung 1) zahnfarbener Werkstoffe liegt mit 100 MPa bei den Thermoplasten und bis über 1.000 MPa bei Zirkonoxid (3Y-TZP) weit auseinander [Awada, 2015; Belli et al., 2014]. Innerhalb der einzelnen Materialgruppen variieren die Werte teilweise um mehr als 100 Prozent, zum Beispiel zwischen 4Y-TZP und 3Y-TZP [Rosentritt, Kieschnick, Hahnel et al., 2018; Rosentritt, Kieschnick, Stawarczyk, 2018]. 

Abbildung 1: Biegefestigkeit unterschiedlicher zahnfarbener Werkstoffe (Größenordnung) | Rosentritt, Kieschnick, Stawarczyk

Die Festigkeit stellt ein wichtiges Kriterium für die Indikations- und Befestigungsoptionen dar. Nur hochfeste Materialien eignen sich für einen mehrgliedrigen und weitspannigen festsitzenden Zahnersatz und erlauben zudem das Zementieren der Restaurationen. Für das Zementieren ist eine Festigkeit von mehr als 350 MPa gefordert. Werkstoffe mit niedriger Festigkeit, beispielsweise Leuzitkeramik, erreichen erst durch eine adhäsive Befestigung ausreichende Stabilität für die klinische Anwendung. Nur dadurch entsteht ein dauerhafter Komplex aus Zahn und Restauration. Besitzen die Materialien eine höhere Festigkeit, können Restaurationen im Allgemeinen auch mit geringeren Schichtstärken gefertigt werden. Das bedeutet im Rückschluss, dass die Präparation schonender und defektorientiert (minimal-invasiv, non-prä-Design) vorgenommen werden kann. In diesen Fällen ist meist eine adhäsive Befestigung indiziert [Rosentritt, 2017].

Der Elastizitätsmodul (Abbildung 2) kennzeichnet den proportionalen Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung der Materialien im linear-elastischen Bereich. Er ist umso höher, je mehr Widerstand ein Material seiner elastischen Verformung entgegensetzt. Sehr vereinfacht ausgedrückt, hilft der E-Modul dabei, die Elastizität, Steifigkeit, Flexibilität und teilweise Sprödigkeit der Materialien einzuordnen. Auch hier liegen die Werte zahnfarbener Werkstoffe mit 2 GPa (Thermoplaste) und 200 GPa (Y-TZP) weit auseinander [Rosentritt, Preis, 2018; Rosentritt, 2016]. Die E-Module der Zirkonoxide sind mehr als doppelt so hoch wie die der Keramiken und liegen in der gleichen Größenordnung wie zum Beispiel Kobalt-Chrom-Legierungen (CoCh). Ein geringer Modul ist beispielsweise bei provisorischen Restaurationen gefordert, um diese bei der Fertigung leicht zu entformen. Ein Material mit niedrigem Modul kann theoretisch als Kronenmaterial auf ein Implantat „dämpfend“ wirken [Silla, 2016]. Eine Restauration aus einem Material mit hohem Elastizitätsmodul ist stabiler beziehungsweise steifer als eine identische Versorgung – mit den gleichen Abmessungen – aus einem Material mit niedrigem Elastizitätsmodul. So biegen sich Brücken aus Materialien mit höherem Modul bei gleicher Krafteinwirkung weniger und belasten die Pfeilerzähne daher geringer, da die einwirkenden Kräfte durch die hohe Steifigkeit besser verteilt werden.

Die Härte (Abbildung 3) kennzeichnet den mechanischen Widerstand, den ein Werkstoff dem mechanischen Eindringen eines anderen Körpers entgegensetzt. Sie ist damit ein relevanter Parameter für die Oberflächenbearbeitung und nicht oder nur eingeschränkt – wie fälschlicherweise oft angenommen – für die Abrasionsbeständigkeit der Antagonisten verantwortlich. Harte Werkstoffe sind mühsam und unter hohem Materialabtrag des Instruments zu verarbeiten. Sind sie jedoch erst einmal glatt poliert, können sie im klinischen Einsatz nur schwer abradiert werden und werden daher nicht rauer. Sie sind aufgrund ihrer glatten Oberfläche für den Antagonisten eher als positiv zu bewerten. Aufgrund der hohen Härte werden die Restaurationen abrasionsbeständiger, können sich allerdings nicht selbst „einschleifen“. Daher sind gerade bei harten Materialen die Okklusion und die Funktion besonders zu berücksichtigen. 

Härte ist nicht gleich Festigkeit! Es gilt zu beachten, dass beispielsweise Zirkonoxide trotz unterschiedlicher Festigkeit fast gleiche Härten aufweisen. Grundsätzlich sollte das manuelle Bearbeiten spröder Restaurationen auf ein Minimum beschränkt werden, um Schäden durch Überhitzen (Mikrorisse) zu vermeiden. Beim Schleifen im finalen Zustand sind Wasserkühlung, ein niedriger Anpressdruck und ein gut schleifender Diamant (max. Rotring) empfohlen [Matzinger et al., 2018; Strasser et al., 2018].

Optische Eigenschaften

Die optischen und ästhetischen Eigenschaften der Werkstoffe werden in hohem Maß von ihrer Zusammensetzung bestimmt. Entscheidend sind Parameter wie beispielsweise die Art und Menge von Füllstoffen oder von kristallinen Bereichen. Die Auswirkungen auf Transluzenz, Reflektion, Glanz, Farbe, Opazität bestimmen das Erscheinungsbild der Restauration. Opake Materialien wie zum Beispiel 3Y-TZP erscheinen matt [Stawarczyk et al., 2017; Stawarczyk, 2016]. Hoch transluzente Glaskeramiken wirken zahnähnlich. Während opake Materialien ohne negativen Einfluss auf die Ästhetik zementiert oder gar zur Abdeckung von verfärbter Zahnhartsubtanz eingesetzt werden können, sollten Restaurationen zur optimalen Gewährleistung der Ästhetik zwingend zusammen mit dem entsprechenden ästhetischen Befestigungskomposit adhäsiv verwendet werden. Die Farbauswahl bei den Befestigungskompositen ist hier auch wichtiger als bei Zementen. Sogenannte Try-In-Pasten erlauben schon während der Einprobe eine Überprüfung der finalen ästhetischen Wirkung.

Abbildung 2: E-Modul unterschiedlicher zahnfarbener Werkstoffe (Größenordnung) | Rosentritt, Kieschnick, Stawarczyk

 

Fertigung 

Alle Fertigungstechniken bieten Vor- und Nachteile. Allerdings lassen sich manche Werkstoffe, wie zum Beispiel Zirkonoxide, nur unter Einsatz von CAD/CAM-gestützten Verfahren herstellen [Chavali, 2016; Lauvahutanon et al., 2014]. Um diese Restaurationen zu fertigen, wird die klinische Situation mit einem Intraoral- oder Laborscanner digitalisiert, die Restauration in der CAD-Software konstruiert und die Daten werden an die CAM-Einheit (Fräsmaschine) übergeben. 

Die Investitionen für das CAD/CAM-Equipment unterscheiden sich je nach Werkstoff und danach, ob monolithisch oder mit Verblendung gearbeitet wird. So werden für Polymere oder einige Glaskeramiken in der monolithischen Fertigung oft nur Scanner und Fräsmaschine benötigt, während es für Zirkonoxide und einige Glaskeramiken zusätzlich der Öfen für das Sintern, der Kristallisation und/oder keramischen Verblendung sowie der Glasur bedarf. Die finalen Eigenschaften prinzipiell gleicher Materialien hängen oft vom Fertigungsverfahren ab (zum Beispiel Pressen und CAD/CAM-Schleifen, Polieren und Glasieren) [Stawarczyk et al., 2018; Wendler et al., 2017; Zaruba, Mehl, 2017]. Ein Vorteil der CAD/CAM-gestützten Herstellung im Vergleich zur konventionellen Fertigung ist die einfache Verfügbarkeit der klinischen Information und die damit verbundene vergleichsweise einfach und schnell mögliche Reproduktion einer Restauration, die bei Verlust und Versagen der Versorgung oder deren Modifikation für Therapien (Bisshebung) erforderlich werden kann. Durch die industrielle, standardisierte Herstellung der CAD/CAM-Rohlinge sind die Materialeigenschaften der Restaurationen in der Regel konstanter als manuell hergestellte Restaurationen, beispielsweise bei geschichteten Veneers [Sen, Us, 2017; Shenoy, Shenoy, 2010]. Für Materialien, die nach dem Fräsen mittels Politur finalisiert werden können (Komposite, einige Glaskeramiken), entfällt die Notwendigkeit, ein Provisorium anfertigen zu müssen. 

Abbildung 3: Härte unterschiedlicher zahnfarbener Werkstoffe (Größenordnung) | Rosentritt, Kieschnick, Stawarczyk

Reparatur

Die Reparatur einer zahnfarbenen Versorgung ist in der Regel bei allen Werkstoffen intraoral möglich, da nach einer werkstoffspezifischen Konditionierung – ähnlich wie bei der adhäsiven Befestigung – meist gute Haftwerte erzielt werden können. Die Art und der Erfolg der Reparatur hängen von der Größe und der Lokalisation des Defekts ab. Die Ursache des Schadens sollte ermittelt und behoben werden. Kleinere Absplitterungen des Materials oder Abplatzungen der Verblendung (Chipping) können leicht poliert werden. Risse in den Materialien können unter Wirkung eines Kapillareffekts eventuell mit Adhäsivsystemen verschlossen werden. Abgeplatzte Keramikscherben oder Bruchstücke können nach einer Konditionierung ohne Bearbeitung wieder eingeklebt werden. Zusätzlich zur klassischen Reparatur mit Füllungskomposit besteht auch die Option, kleinere Bereiche mit speziell angefertigten keramischen „Reparaturscherben“ oder minimalinvasiven Veneers zu ergänzen. Entscheidend für den klinischen Erfolg sind eine materialspezifische Oberflächenbehandlung und Konditionierung [Rosentritt, 2015].

Klinische Erfahrung 

Viele glaskeramische Systeme sind seit Jahren auf dem Markt und zeigen meist gute klinische Langzeitresultate für die entsprechenden Indikationen. 3Y-TZP weisen unter klinischen Bedingungen nur sehr selten Schäden an den Gerüsten auf. Die viel diskutierten Chipping-Problematiken konnten im Verlauf der Entwicklung der Zirkonoxide deutlich reduziert werden und spielen bei fachgerechter Verarbeitung heute eine nur mehr untergeordnete Rolle. Auf das klinische Verhalten von neueren Zirkonoxiden, neueren Keramiktypen und indirekten polymerbasierten Materialien kann aktuell nur aus In-vitro-Studien oder aus dem Verhalten von vergleichbaren Werkstoffen (3Y-TZP, restaurative Füllungsmaterialien) rückgeschlossen werden, da zum jetzigen Zeitpunkt nur wenig klinische Daten vorliegen.

Abbildung 4: Befestigungskompass zur Oberflächenbehandlung, Reinigung, Konditionierung und Befestigung unterschiedlicher zahnfarbener Werkstoffe (Größenordnung) | Martin Rosentritt

Fazit 

Dem klinischen Anwender steht mit den aktuellen zahnfarbenen Materialien eine Vielzahl von klinischen Optionen – vom Veneer bis hin zur mehrgliedrigen Restauration oder Prothese – zur Auswahl. Manche Werkstoffe besitzen Alleinstellungsmerkmale, zum Beispiel aufgrund ihrer hohen Festigkeiten oder ihrer ästhetischen Eigenschaften. Andere können einfach gegeneinander substituiert werden. Damit stehen dem Zahnarzt viele verschiedene zahnfarbene Materialoptionen für gleiche Indikationen zur Verfügung. Die in den einzelnen Kapiteln ausführlich dargestellten Werkstoffe besitzen deutlich unterschiedliche Eigenschaften (Tabelle 1). Daher sollte der Anwender Grundkenntnisse besitzen, um die Möglichkeiten und Einschränkungen der Werkstoffe einschätzen und patientenorientiert umsetzen zu können. 

Neben den materialkundlichen Kenngrößen spielen die Erfahrung sowie die sachgerechte Bearbeitung und Anwendung eine besondere Rolle für den klinischen Erfolg. Entscheidende Kriterien bei der Materialauswahl und Bewertung sind 

  • die mechanischen Eigenschaften (Festigkeit, Härte, E-Modul, Bruch-/Risszähigkeit) 
  • die optischen Eigenschaften (Ästhetik, Transluzenz, Reflektion, Glanz, Farbe, Opazität) 
  • die Präparationsoptionen (Wandstärken) 
  • die Befestigung (Oberflächenaktivierung, Konditionierung, Art des Befestigungsmaterials, Abbildung 4) 
  • die Art der Fertigung (konventionelle Verfahren wie Gießen oder Pressen oder CAD/CAM-Methoden wie Fräsen, Schleifen, 3-D-Druck) und 
  • die Reparaturmöglichkeiten.

Mehr Informationen zur zahnmedizinischen Werkstoffkunde sowie zur Verarbeitung der Materialien in Praxis und Labor finden Sie unter www.werkstoffkunde-kompendium.de.

Prof. Dr. Dipl. Ing. (FH) Martin Rosentritt
Universitätsklinikum Regensburg
Poliklinik für Zahnärztliche Prothetik
Franz-Josef-Strauß-Allee 11
93053 Regensburg
martin.rosentritt@ukr.de

Annett Kieschnick
Freie Fachjournalistin
Helmholtzstr. 27
10587 Berlin

PD Dr. Dipl. Ing. (FH) Bogna Stawarczyk
Klinikum der Universität München
Poliklinik für Zahnärztliche Prothetik
Wissenschaftliche Leiterin Werkstoffkunde
Goethestr. 70
80336 München

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